中高層鋼結構住宅設計與工程實踐―60頁

1、中高層鋼結構住宅設計北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月武漢賽博園一期工程 摘要 ： 對已建成使用的武漢賽博園一期工程11層鋼結構住宅樓的設計情況進行介紹。 主要內容：規(guī)劃與建筑設計 、結構體系選用、結構分析、節(jié)點構造，工程的經濟技術情況等。 北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月前言：現(xiàn)代科學技術的高速發(fā)展，以及人們對住宅的功能齊全、使用方便、居住舒適、安全節(jié)能、綠色環(huán)保、抗震性能優(yōu)越等方面的要求，使國內外鋼結構住宅會逐步替代混凝土、砌體結構的住宅，成為住宅產業(yè)的一支新生力量。對于鋼結構住宅，賽博思公司已有較多的工程實例，比如：福建師大學生公寓，建筑

2、面積1.1萬平米，7層，層高3.6m；北京水利基礎總隊3住宅樓，建筑面積20.6萬平米，6層，層高2.9m；北京亦莊青年公寓，建筑面積10萬平米，6層，層高2.9m；等工程。 北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月工程概況 武漢賽博園一期工程于2019年10月設計完成，目前已建成并交付使用，情況良好。該工程為板式中高層（地上11層）鋼結構住宅樓，套型按經濟適用房現(xiàn)行標準控制；一期工程由獨立的6棟住宅樓組成，總建筑面積6.55萬平米；工程照片：北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月工程概況結構概況： 結構開間為6.6m，跨度5.1m+6.3m，屬平面規(guī)則建

3、筑體系；層高2.9m，室內外高差0.6m，房屋高度32.5m；陽臺為凹陽臺，設置在鋼結構體系內?；撅L壓w0=0.35kN/m2；抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度0.05g，建造于II類場地上，設計地震分組為第一組。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月規(guī)劃與建筑設計 賽博園一期工程總用地面積2.46ha，一期住宅面積55364.4m2，容積率2.424，建筑密度29.3%，綠地率44.3%，各指標均滿足規(guī)范及當?shù)匾?guī)劃部門的要求。規(guī)劃鳥瞰圖如圖1。 北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月返首頁賽博園一期工程鳥瞰圖返回鳥瞰圖北京賽博思工業(yè)化住宅集成系

4、統(tǒng)工程有限公司 2019年11月戶型設計： 在鋼結構住宅戶型設計中，除滿足規(guī)范要求外，建筑設計更多思考的方面是結構等相關專業(yè)的協(xié)同，使其有較好的通用性及經濟性。鋼結構住宅的戶型設計流程一般按照圖2進行。武漢賽博園工程的基本套型如圖3。 相關鏈接：體系化鋼結構住宅開發(fā)模式的初步研究北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月返回戶型設計流程北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月返回標準戶型圖北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月主要工程做法和建筑構造主要工程做法北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月主要工程做法和建筑構造典

5、型墻身大樣圖 內墻節(jié)點圖同層排水 柱、支撐、外墻的綜合解決北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月墻身大樣圖返回北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月分戶墻節(jié)點偏置內隔墻節(jié)點內墻節(jié)點圖返回北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月同層排水返回北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月柱、支撐、外墻的綜合解決 鋼柱截面寬度為230mm，小于250mm外墻厚度，連同防熱橋措施，做到了外墻柱等厚設計，室內不露柱。返回北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月主要工程做法和建筑構造 由于鋼結構具有自重輕的特點，建筑設

6、計在注意經濟指標的同時，也盡量選用輕質材料，本工程上結構總恒載控制在8kN/m以內（含二次裝修荷載1kN/m），僅為同類鋼筋混凝土住宅的58%左右。 北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月結構設計：鋼結構住宅的結構設計，除滿足安全、適用、受力合理外，還要同時兼顧發(fā)揮鋼結構的優(yōu)勢，兼顧施工的可行性、材料供應、安裝工效、可控操作、現(xiàn)場檢驗等等要求，同時造價方面也是要重點考慮的因素，因此，鋼結構住宅設計并不同于一般的住宅設計。 北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月結構設計結構體系 賽博思公司通過大量鋼結構工程的設計實踐，以安全、適用、經濟為設計方針，一般采用

7、的結構體系為：1）鋼框架混凝土抗震墻：利用樓電梯間、衛(wèi)生間做組成抗側力單元，承擔了大部分的水平力，減小了鋼框架的負擔，同時降低了用鋼量；2）鋼框架支撐：利用支撐做為抗側力體系，施工速度快；3）純鋼框架結構：適合多層建筑，用鋼量偏高。 北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月返首頁結構設計結構體系 結合本工程的具體情況和以往的設計實踐經驗，對可能的結構體系進行了一系列的探討，發(fā)現(xiàn)有如下一些規(guī)律：小柱網(wǎng)：該體系一般開間3.03.9m，跨度46m，因單柱負荷面積較小，梁柱截面亦較小，使得建筑處理十分方便，但同時該體系過分依賴于建筑師的戶型設計，或者說只有當戶型方案與結構計算密切配合

8、時方可得出一個使用與結構都比較合理的方案。另外，當采用梁柱全栓連接節(jié)點時，較小的開間使梁柱節(jié)點過多，增加了高強螺栓數(shù)量降低了安裝效率， 但在多層住宅中有較優(yōu)的用鋼量。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月結構設計結構體系大柱網(wǎng)：該體系一般開間和跨度均在6.07.2m之間，梁柱負荷面積的增大導致梁柱的截面增大，這需要建筑師巧妙的戶型設計才能取得較好的使用空間。其平米用鋼量在多層時與小柱網(wǎng)基本持平，在小高層時優(yōu)于小柱網(wǎng)。 北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月結構設計結構體系鋼框架混凝土核心筒：該體系一般利用樓、電梯間，衛(wèi)生間的墻體構成抗側力的筒體，剛度很大

9、，可以承擔大部分的水平力，鋼結構部分基本由豎向荷載控制，與純框架結構相比可以明顯減少鋼結構的用鋼量。但工期不是它的優(yōu)勢。 北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月結構設計結構體系鋼框架支撐：與框架混凝土核心筒體系類似，只是用鋼支撐代替了混凝土墻，可以取得工期上的優(yōu)勢。但對住宅結構來說，橫向支撐（進深方向）的設置較為方便，縱向支撐（開間方向）基本沒有可能。如何協(xié)調縱橫向的剛度是這種體系要考慮的重要問題。 北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月結構設計結構體系純鋼框架：小柱網(wǎng)的純框架體系，當采用H型鋼柱時，可以實現(xiàn)多層住宅結構。當小高層時，需用方矩管柱。不論何

10、種情況，其用鋼量比框撐（或混凝土墻）體系提高2030，同時柱子截面的增大使建筑處理帶來麻煩。 北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月結構設計結構體系本工程若沿用小柱網(wǎng)混凝土核心筒的設計經驗，當然沒有問題，但開發(fā)商對工期要求嚴格，混凝土核心筒顯然無法保證工期。經過多次結構試算及與建筑師反復溝通，最終確定了采用鋼框架支撐體系。 型材選擇：根據(jù)市場供貨能力及經濟性，經比較，柱子采用冷彎矩形空心型鋼，梁和支撐用熱軋H型鋼。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月結構設計結構體系標準單元的建筑戶型和結構布置（下圖）。從圖中可以看出支撐僅橫向布置，建筑戶型決定了無法布

11、置縱向支撐，為保證縱向剛度，柱子長邊沿縱向布置，這種布置方式同時滿足了建筑師隱藏柱子的要求，除底部三層的中柱外，其他柱子均隱藏于墻體之中。 主要梁柱截面（下頁）。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月標準層結構布置圖北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月返回柱截面表主要梁柱截面梁截面表北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月返回結構設計結構體系關于支撐型式： 關于支撐型式可選擇“人”及“”型式，若采用“人”型式，為保證橫梁穩(wěn)定需在人字交點處設置隅撐等措施，這樣會嚴重影響使用，所以采用“”型支撐；采用拉桿支撐會造成框架梁受壓，對結構不利，

12、因此選用壓桿支撐。 北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月結構設計結構體系關于設置水平隅撐的討論： 高鋼規(guī)要求設置框架梁柱節(jié)點水平隅撐，而水平隅撐是為了防止框架橫梁在大震下側向屈曲而設置的，但在抗震設防為6度時可不考慮大震，因此可不設置此水平隅撐。根據(jù)抗震規(guī)范要求，有地下室鋼結構住宅，框架-支撐結構中豎向連續(xù)布置的支撐、鋼柱延伸至地下一層。 北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月結構設計結構分析計算參數(shù) ：全部鋼梁采用焊釘與樓板固定，并不考慮組合作用，栓釘按照構造設置，鋼框架與鋼支撐通過樓板傳遞剪力，在水平力作用下實現(xiàn)空間協(xié)同工作；結構分析可采用剛性樓板

13、假定。 當鋼梁兩側或一側有混凝土板時，鋼梁的截面慣性矩分別乘以1.5或1.2的增大系數(shù)。當?shù)叵率覙菍拥膫纫苿偠炔恍∮谙噜彽厣辖Y構樓層側移剛度的2倍時，地下室頂板作為上部結構的嵌固端。 北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月返首頁結構設計結構分析結構有限元分析計算： 采用建研院STS、SATWE軟件。 取3個戶型組成的結構（無地下室）進行有限元分析計算，總的結構外圍面積為7645m2（含屋頂塔樓），主要結果如下： 北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月計算模型消隱圖北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月返回結構設計計算結果北京賽博思工業(yè)

14、化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月結構設計計算結果北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月結構設計計算結果北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月結構設計節(jié)點設計本工程梁柱節(jié)點考慮工期及現(xiàn)場情況采用全栓接節(jié)點，即柱子伸出懸臂梁段與梁栓接。該節(jié)點的關鍵是柱子隔板的做法。對小截面方矩管，外環(huán)板的做法是簡單易行的，但本工程不適

15、用，外環(huán)板暴露在外，建筑無法處理。一般由四塊鋼板組合而成的箱形柱內隔板的做法為柱子第四塊鋼板焊和前先焊好三條焊縫，最后用電渣焊解決第四條焊縫。對冷彎方矩管柱，此法依然不行。我們的解決辦法見圖，優(yōu)點是操作簡單，缺點是焊接量偏大。梁柱、支撐節(jié)點采用全栓連接，見圖。 北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月返首頁鋼結構節(jié)點圖框架節(jié)點連接柱內隔板設置北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月返回鋼結構節(jié)點圖支撐節(jié)點圖北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月返回鋼結構節(jié)點圖外包柱腳節(jié)點圖北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月返回經濟

16、技術分析1、綜合效益： 根據(jù)工程預算及實際工程結算情況，對于本工程的鋼結構住宅得出以下數(shù)據(jù)：鋼結構住宅的有效使用面積比同類混凝土框架結構相比高出3.5。由于鋼結構的梁柱截面小，按照80的套內面積計算，鋼結構工程為住戶可以多處2.8的有效使用面積，按照武漢市的平均房價3600元/計算，即可以為住戶多創(chuàng)造價值10080元；北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月返首頁經濟技術分析工期優(yōu)勢（1）由于鋼結構工程的梁柱都在工廠制作，然后運輸至現(xiàn)場安裝，因此鋼結構工程的大部分結構作業(yè)可以運用機械化作業(yè)和工廠作業(yè)，這種工業(yè)化的作業(yè)大大提高了工作效率，可以縮短工期60天左右；（2）本工程采用

17、688型0.8mm鍍鋅壓型鋼板組合樓板，該樓板在工廠制作好之后，運輸至施工現(xiàn)場直接鋪裝，減少了現(xiàn)場模板安裝量和制作量，可以縮短工期20天；采用壓型鋼板組合樓板后，減少了樓板鋼筋的用量，因此樓板鋼筋的制作量、安裝量減少，這樣以來可以縮短工10天?？偣部梢钥s短工期90天。（3）如果考慮鋼結構工程對天氣的依賴因素大大低于混凝土結構?？偣て谙啾然炷两Y構縮短約100天。 北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月經濟技術分析對環(huán)境的影響：鋼結構制作由于在工廠完成，對施工現(xiàn)場周圍的噪聲污染幾乎可以忽略，減少了擾民；鋼結構工程大部分結構采用干作業(yè)，減少了城市自來水的用量和水污染，同時大大減

18、少水泥用量；建材的回收利用方面，鋼結構的鋼材在房屋拆除時，鋼結構構件經過簡單處理后全部可以回收，混凝土拆除量也比混凝土結構要少很多；相對而言，可以稱為綠色建筑。工程造價分析：任何新技術和新的工藝如果要能得到社會的認可和大規(guī)模的推廣，其經濟性是一個很重要的方面。本項目在可研階段和技術設計階段同步進行了造價分析，完成施工圖概預算后，合同造價與分析結果基本一致，結算價比合同價略多。 北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月經濟技術分析2、經濟技術分析：（表）3、鋼結構住宅經濟性的更多優(yōu)勢是體現(xiàn)在了它潛在的經濟與社會效益上，可以相信，這種潛在經濟優(yōu)勢與良好的社會效益的表現(xiàn)將為鋼結構住宅的發(fā)展注入活力。北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月技術經濟指標北京賽博思工業(yè)化住宅集成系統(tǒng)工程有限公司 2019年11月結束語：隨著我國鋼結構建筑的興起，鋼結構住宅越來越受到政府部門、鋼結構公司及房地產開發(fā)商的重視；賽博思公司通過近幾年的探索實踐，取得了有益的成果及成效；在新體系的研發(fā)方面，已經取得初步成果，比如：矩形鋼管混凝土柱與無